Les scientifiques des matériaux de l'Université Duke et de l'UC San Diego ont découvert une nouvelle classe de carbures qui devraient être parmi les matériaux les plus durs avec les points de fusion les plus élevés qui existent. Fabriqué à partir de métaux bon marché, les nouveaux matériaux pourraient bientôt trouver une utilisation dans un large éventail d'industries, des machines et du matériel à l'aérospatiale.

Un carbure est traditionnellement un composé constitué de carbone et d'un autre élément. Lorsqu'il est associé à un métal tel que le titane ou le tungstène, le matériau résultant est extrêmement dur et difficile à fondre. Cela rend les carbures idéaux pour des applications telles que le revêtement de la surface d'outils de coupe ou de pièces d'un véhicule spatial.

Il existe également un petit nombre de carbures complexes contenant trois éléments ou plus, mais ne sont pas couramment trouvés en dehors du laboratoire ou dans des applications industrielles. Cela est principalement dû aux difficultés de déterminer quelles combinaisons peuvent former des structures stables, sans parler des propriétés souhaitables.

Une équipe de scientifiques des matériaux de l'Université Duke et de l'UC San Diego vient d'annoncer la découverte d'une nouvelle classe de carbures qui associent le carbone à cinq éléments métalliques différents à la fois. Les résultats paraissent en ligne le 27 novembre dans la revue Communication Nature .

Atteindre la stabilité du mélange chaotique de leurs atomes plutôt que la structure atomique ordonnée, ces matériaux ont été prédits informatiquement par les chercheurs de l'Université Duke, puis synthétisés avec succès à l'UC San Diego.

"Ces matériaux sont plus durs et plus légers que les carbures actuels, " a déclaré Stefano Curtarolo, professeur de génie mécanique et de science des matériaux à Duke. "Ils ont également des points de fusion très élevés et sont fabriqués à partir de mélanges de matériaux relativement bon marché. Cette combinaison d'attributs devrait les rendre très utiles pour un large éventail d'industries."

Lorsque les élèves découvrent les structures moléculaires, on leur montre des cristaux comme du sel, qui ressemble à un damier 3D. Ces matériaux acquièrent leur stabilité et leur résistance grâce à des des liaisons atomiques ordonnées où les atomes s'emboîtent comme les pièces d'un puzzle.

Imperfections dans une structure cristalline, cependant, peut souvent ajouter de la résistance à un matériau. Si des fissures commencent à se propager le long d'une ligne de liaisons moléculaires, par exemple, un groupe de structures mal alignées peut l'arrêter net. Le durcissement des métaux solides en créant la quantité parfaite de désordre est obtenu grâce à un processus de chauffage et de trempe appelé recuit.

La nouvelle classe de carbures à cinq métaux porte cette idée au niveau supérieur. Larguer toute dépendance aux structures cristallines et aux liaisons pour leur stabilité, ces matériaux reposent entièrement sur le désordre. Alors qu'un tas de balles de baseball ne tient pas debout tout seul, un tas de balles de baseball, des chaussures, chauves-souris, des chapeaux et des gants pourraient bien.

La difficulté réside dans la prédiction de la combinaison d'éléments qui résistera. Essayer de fabriquer de nouveaux matériaux est coûteux et prend du temps. Le calcul des interactions atomiques à travers des simulations de premier principe l'est encore plus. Et avec cinq emplacements pour éléments métalliques et 91 au choix, le nombre de recettes potentielles devient vite intimidant.

"Pour déterminer quelles combinaisons vont bien se mélanger, il faut faire une analyse spectrale basée sur l'entropie, " dit Pranab Sarker, un associé postdoctoral dans le laboratoire de Curtarolo et l'un des premiers auteurs de l'article. "L'entropie est incroyablement chronophage et difficile à calculer en construisant un modèle atome par atome. Nous avons donc essayé quelque chose de différent."

L'équipe a d'abord réduit le champ des ingrédients à huit métaux connus pour créer des composés de carbure avec une dureté et des températures de fusion élevées. Ils ont ensuite calculé la quantité d'énergie qu'il faudrait pour qu'un carbure potentiel à cinq métaux forme un grand ensemble de configurations aléatoires.

Si les résultats étaient très éloignés les uns des autres, il a indiqué que la combinaison favoriserait probablement une configuration unique et s'effondrerait, comme avoir trop de balles de baseball dans le mélange. Mais s'il y avait de nombreuses configurations étroitement regroupées, cela indiquait que le matériau formerait probablement de nombreuses structures différentes à la fois, fournissant le désordre nécessaire à la stabilité structurelle.

Le groupe a ensuite testé sa théorie en faisant appel à son collègue Kenneth Vecchio, professeur de NanoEngineering à l'UC San Diego, pour tenter de fabriquer réellement neuf des composés. Cela a été fait en combinant les éléments de chaque recette sous une forme finement pulvérisée, en les pressant à des températures jusqu'à 4, 000 degrés Fahrenheit et exécutant 2000 ampères de courant directement à travers eux.

"Apprendre à traiter ces matériaux était une tâche difficile, " a déclaré Tyler Harrington, un doctorat étudiant au laboratoire de Vecchio et co-premier auteur de l'article. "Ils se comportent différemment de tous les matériaux que nous avons déjà traités, même les carbures traditionnels."

Ils ont choisi les trois recettes que leur système jugeait les plus susceptibles de former un matériau stable, les deux moins probables, et quatre combinaisons aléatoires qui ont marqué entre les deux. Comme prédit, les trois candidats les plus probables ont réussi tandis que les deux moins probables ne l'ont pas été. Trois des quatre correcteurs intermédiaires formaient également des structures stables. Bien que les nouveaux carbures soient tous susceptibles d'avoir des propriétés industrielles souhaitables, une combinaison improbable s'est démarquée - une combinaison de molybdène, niobium, tantale, le vanadium et le tungstène appelés MoNbTaVWC5 en abrégé.

"Faire combiner cet ensemble d'éléments, c'est essentiellement comme essayer de regrouper un tas de carrés et d'hexagones, " dit Cormac Toher, professeur adjoint de recherche au laboratoire de Curtarolo. "Faire de l'intuition seule, vous n'auriez jamais pensé que cette combinaison serait faisable. Mais il s'avère que les meilleurs candidats sont en fait contre-intuitifs."

"Nous ne connaissons pas encore ses propriétés exactes car il n'a pas été entièrement testé, " a déclaré Curtarolo. " Mais une fois que nous l'aurons dans le laboratoire dans les prochains mois, Je ne serais pas surpris qu'il s'agisse du matériau le plus dur avec le point de fusion le plus élevé jamais réalisé."

"Cette collaboration est une équipe de chercheurs concentrés sur la démonstration des implications uniques et potentiellement changeantes de paradigme de cette nouvelle approche, " a déclaré Vecchio. " Nous utilisons des approches innovantes pour la modélisation des premiers principes combinées à des outils de synthèse et de caractérisation de pointe pour fournir la méthodologie intégrée en " boucle fermée " si nécessaire à la découverte de matériaux avancés. "